基于 CAXA的非圓弧曲面車床零件工藝改進

顧麗敏

介紹了應用 CAXA數控車軟件對非圓弧曲面的車床零件進行工藝制定及加工的方法，包括零件的外形輪廓建模，毛坯建模，曲面輪廓粗精車加工的參數設置及軌跡仿真，并將軟件生成的刀具軌跡 G代碼傳輸至 FANUC系統的 CK6140數控車床，實現零件的車床實際加工。經實踐證明，通過采用 CAXA數控車軟件對非圓弧輪廓曲面零件進行自動編程加工，可以較好地改進零件的加工工藝，在提高加工質量的同時縮短編程時間，提高產品的加工效率。

一、引言

數控車床一般用來加工軸類或者盤類的回轉體零件，對于一些簡單的回轉體類零件，其輪廓主要由直線和圓弧曲線構成，采用編程指令 G01、G02和 G03來實現。但對于一些輪廓較為復雜的零件，尤其是用方程描述的列表曲線類零件，如拋物線、橢圓等外輪廓，編程人員只能利用宏程序進行編程加工，但宏程序涉及很多的變量參數設定和復雜的循環及跳轉程序結構，計算復雜且工作效率低。若采用軟件自動編程方法，則可以明顯提高編程效率，優化加工工藝，尤其是在外形輪廓是非圓弧的復雜曲面編程中，更能發揮其優勢。下面通過非圓二次曲線輪廓零件的數控編程來介紹CAXA數控車在自動編程中的具體應用。

二、二次曲線輪廓零件分析

1.手工編程難點分析

在一些有特殊要求的非圓弧曲線輪廓零件中，其外輪廓曲線非一般簡單圓弧面所構成，而是用方程描述的列表曲線方程所構成，例如雙曲線方程、橢圓方程或者是拋物線方程。如圖 1和圖 2所示。

對于上述具有二次曲線輪廓的車床零件，編程人員一般都需要通過宏程序實現，通過設置變量參數，用 G01程序語言嵌套在循環、判斷及跳轉的結構中，以直線插補原理擬合計算處理后實現復雜輪廓曲線的程序編制。宏程序往往具有一定的局限性，一方面利用宏程序編程時，要求編程人員懂得計算機語言方面的知識，例如變量的設定，循環語句、判斷語句及跳轉語句的格式、程序的調試等，對編程員技術水平要求較高；另一方面由于二次非圓弧曲線的原點與編程原點不重合，導致在手工編程時需要進行加工坐標平移計算，影響編程的工作效率。

2.二次曲線輪廓的工藝分析

（1）零件圖分析。

如圖 3所示，該零件的外輪廓線由直線、橢圓以及兩段圓弧所構成，其編程加工的難點在于由橢圓外輪廓線、 R25的圓弧段和 R40的圓弧段相切形成的光滑外圓面的編程計算。若使用手工編程，需要借助計算機輔助繪圖來計算節點坐標位置，同時需要利用宏程序語言完成橢圓段曲線的程序編制，工作量較大且加工效率低。

因此利用 CAXA數控車對該零件進行自動編程以改進零件的加工工藝，可以取得較好的加工效果。零件的三維實體造型如圖 4所示。

（2）零件加工工藝分析。

該零件在實際加工時首先夾持右端，加工左端輪廓線至 Φ50的外圓面處，之后掉頭裝夾在 Φ50外圓面處加工右端輪廓線及寬為 4mm的槽加工，右端的加工難點就在于 R25、 R40及橢圓段的外輪廓編程，下面著重介紹基于CAXA數控車軟件的外輪廓的粗、精加工編程。

①確定毛坯及裝夾方式。根據零件圖選毛坯為 Φ90×265的圓棒料，材料為45鋼。使用液壓卡盤夾緊工件，伸出右端加工長度，精車右端面保證總長的同時建立編程坐標系，以工件 Φ30右端面的中心為編程原點。

②確定數控刀具及切削用量。根據該零件右端外輪廓的加工要求，選擇刀具及切削用量如表 1所示。

三、CAXA數控車的加工設置

1.毛坯及外輪廓的建模

在 CAXA數控車軟件中對加工對象進行輪廓建模時，需要同時給出毛坯輪廓和加工對象的外輪廓。如圖 5所示，虛線所示的為零件毛坯輪廓線框，實線所示為被加工外輪廓曲線。在零件輪廓建模時，只需要給出加工軌跡輪廓，無需繪制完整的零件圖。另外寬 4mm的槽加工在輪廓線加工結束后利用槽加工命令完成，因此在外輪廓粗精加工時忽略槽的輪廓線，最右端只需要繪制Φ30×40的外圓面尺寸線即可。

CAXA數控車軟件在提供繪制輪廓線命令的同時，也給出了較好的文件轉換和導入功能。可以在 CAXA電子圖板軟件中完成輪廓圖的繪制，經 CAXA數控車中的數據輸入到 CAXA數控車的界面中。

2.零件外輪廓加工

（1）外輪廓粗車加工。

輪廓粗車功能主要用于對工件外輪廓表面、內輪廓表面和端面的粗車加工，用于快速消除毛坯多余部分加工軌跡的生成、軌跡仿真以及數控代碼的提取。進行輪廓粗車操作時，要確定被加工輪廓和毛坯輪廓。被加工輪廓就是加工結束后的工件表面輪廓，毛坯輪廓就是加工前毛坯的表面輪廓。作圖時，一定要注意被加工輪廓和毛坯輪廓必須兩端點相連，兩輪廓共同構成一個封閉的加工區域，在此區域的材料將被加工去除，同時被加工輪廓和毛坯輪廓不能單獨閉合或者自相交。

根據加工工藝中先粗后精的加工工藝原則，首先對零件右端的外輪廓進行粗車加工，單擊 CAXA數控車工具欄上的“輪廓粗車”圖標，根據加工要求填寫各項加工參數、進退刀方式、切削用量的粗車參數表。在 CAXA數控車軟件中，只有默認的一把 Lt0的車刀，因此需要根據實際情況添加粗車所需外輪廓車刀，并設置相應的刀具參數。粗車加工參數和輪廓車刀選取如圖 6和圖 7所示。

在合理設置各項參數之后，根據系統提示分別拾取圖 5中的被加工輪廓和毛坯輪廓。系統默認拾取方式為鏈拾取，這樣會將毛坯輪廓和被加工輪廓混在一起，因此需要單擊空格鍵切換拾取方式，采用單個拾取或者限制鏈拾取的方式，確定圖 5中的被加工輪廓線（實線顯示部分），之后確定毛坯輪廓，即圖 5中的虛線部分。這樣被加工輪廓線與毛坯輪廓線所封閉的區域即為去除材料的部分，最后按照系統提示確定刀具的進退刀點，系統則自動生成粗車外輪廓的刀具軌跡圖，如圖 8所示。

（2）外輪廓精車加工。

輪廓精車實現對工件外輪廓表面、內輪廓表面和端面的精車加工。輪廓精車時，只需要確定加工輪廓，無需確定毛坯輪廓。被加工輪廓就是加工結束后的工件表面輪廓，被加工輪廓不能閉合或自相交。外輪廓的精車與粗車設置相似，只是將加工參數適當改變，用其余采用系統默認設置，此處不贅述。

（3）外輪廓的粗精加工軌跡仿真及程序生成。

在 CAXA數控車軟件中生成的粗、精加工刀具軌跡，可以進行模擬仿真，以驗證加工程序的正確性。具體操作如下：單擊數控車工具欄中的“軌跡仿真”圖標，CAXA數控車系統可以自動進行軌跡仿真。選擇“二維實體”、“缺省毛坯輪廓”方式。根據系統提示，拾取已經生成的粗、精加工刀具軌跡，系統開始進行仿真。通過軌跡仿真，觀察刀具走刀路線以及是否存在干涉及過切現象。圖 9為外輪廓粗精加工后的仿真結果示意圖，圖 10為切槽加工后的最終加工效果圖。

程序 G代碼生成是根據當前數控系統的配置要求，把刀軌路徑的走刀路線轉化成 G代碼數據文件，即自動生成CNC數控程序，具體操作過程如下。

運行主菜單中的數控車 -代碼生成命令，或者單擊數控車工具欄中的“代碼生成”圖標，填寫“后置文件”對話框的相關參數，保存后置文件（*.cut）的地址，輸入程序名稱，之后單擊“打開”按鈕，在加工區域拾取所需的刀具路徑軌跡，系統自動生成“記事本”文件，即為生成的數控G代碼程序。圖 11為該零件粗加工的部分程序代碼。

3.機床設置及程序后置處理

當采用自動編程時，經過刀具走刀路徑計算產生刀位文件，然后通過后置處理轉換成為可用于實際加工的 G代碼程序。CAXA數控車具有靈活多樣的通用型后置處理模塊，針對不同類型的數控系統，可以根據機床類型修改后置處理文件，包括刀位走刀路徑的點位坐標，刀具信息、主軸轉速和進給量等相關信息，修改后輸出至相應數控系統中，用于實際車床的加工操作。以法蘭克系統的數控車床為例，打開軟件選擇機床設置選項卡，增加機床，設置相應的數控代碼，數控程序格式參數。程序格式參數包括程序說明、程序頭和程序尾等內容。

（1）設置方式：宏指令設置程序格式參數，其中宏指令為：$+宏指令串。

（2）程序說明：記錄程序的名稱、編制日期等信息。代碼設置為：O$POST_CODE。

（3）程序頭：數控程序開頭部分都相對固定，包括工件坐標系設置，絕對坐標設置、主軸啟動，以及冷卻液開啟等，代碼設置為：$DCMP_OFF $ $G21 $ $WCOORD$ $G90 @$CHANGE_TOOL $TOOL_NO$COMP_NO @$SPN_F$SPN_SPEED $ $SPN_CW @$COOL_ON。

四、結語

采用 CAXA數控車軟件對二次非圓弧曲線類零件進行造型、輪廓設計、仿真加工及程序后置處理，避免了手工編程中復雜的節點計算，可縮短編程所需的輔助時間，使得產品的加工工藝得到優化，提高了編程的效率，降低生產成本，因此可廣泛應用于制造類企業的新品研發生產中。 IM